密集波分复用技术导论

　　本书是一本专门介绍密集波分复用（DWDM）的专著，本书内容由5部分组成，每部分又分为若干章。第一部分叙述物理光学，包括干涉、衍射、折射等，是理解马赫—策恩德或法布里—珀罗干涉器的重要预备知识。第二部分讲述光学玻璃纤维作为传输媒介的基本原理和光线通过它传输的特性。还讲述了许多光器件，如滤波器、复用器和分用器、开关、偏振器、光源和光接收器。第三部分讲述数字和光传输中使用的各种编码技术。第四部分概括性地，也是简单地讲述波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM），还讨论了DWDM系统设计方面的问题以及网络拓扑和故障避让等。最后，第五部分讨论当前DWDM领域的研究状况。每章之后有练习题，书末有答案。在每个部分之后列有相关参考文献。本书主要读者对象为从事光纤通信的科研人员、工程技术人员及大专院校相关专业的师生。

　　S.V.卡塔洛颇罗斯（Stamatios V.Kartalopoalos）现任职于美国朗讯公司贝尔实验室的现代光网络研究组。他是特理学士和工程硕士和博士。他在通信领域的最新成就是在DWDM系统、IP光网络、SONET/SDH和ATM系统和超高速模式识别等方面。1979年以来，他对数字环路载波系统、局域网、光纤网、卫星系统和智能信号处理、包括神经网络和模糊逻辑等技术有不少贡献。另外，在现代实时、高速通信体系的定义、研发和管理以及利用VLSI和/或微处理器来实现方面，在高速和加强的通信协议的定义和研究方面，他也有贡献。卡塔洛颇罗斯博士最近在几个研讨会上讲授DWDM技术，SONET/SDH和ATM系统以及神经网络和模糊逻辑等课程。加入AT&T之前，他教授光材料的动态现象、电—光器件、数字和模拟计算机和搜寻算法等大学及研究生课程，指导研究工作。他是“了解SONET/SDHT和ATM”（Understanding SONET/SDH and ATM，IEEE Press.1999）和“了解神经网络和模糊逻辑”（Understanding Neural Networks and Fuzzy Logic，IEEE Press.1996）的作者。另外，他发表过许多论文并取得不少专利，有一些属于光通信系统方面。他曾是IEEE通信杂志（Communications Magazine）的客座编辑和神经网络学报（Transactions on Neural Networks）的副主编。另外，他担任过IEEE神经网络学会副主席和IEEE美国委员会委员。卡塔洛颇罗斯博士作为IEEE委员主持IEEE通信会技术发现委员会、代表通信学会技术活动委员会（TAB）新技术指导组织，他还是IEEE出版委员会委员。在此之前，他主持信号处理和电子委员会。他也是IEEE通信学会传输、接入和光系统委员会委员。

第一部分　光的基础知识                   
                   
 引言　1                   
                   
 第1章　光的性质1                   
 1.1　引言　1                   
 1.2　提高光纤可传送的带宽　2                   
 1.3　什么是密集波分复用(DWDM)　2                   
 1.4　什么是光频分复用(OFDM)　3                   
 1.5　不透明和透明的波分复用系统　4                   
 1.6　密集波分复用的器件　4                   
 1.7　光学基础?4                   
 1.7.1　光的波动性　4                   
 1.7.2　光的粒子性　5                   
 1.8　测量光度的术语：光通量. 照度和亮度　6                   
 练习　7                   
                   
 第2章　光和物质的相互作用8                   
 2.1　引言　8                   
 2.2　透明和不透明的物质　8                   
 2.3　透光物质的性质　8                   
 2.3.1　反射和折射——折射率　9                   
 2.3.2　斯涅耳(Snell)定律　10                   
 2.3.3　临界角　10                   
 2.3.4　光棱镜　10                   
 2.3.5　衍射　12                   
 2.3.6　无限远处的衍射　12                   
 2.3.7　衍射光栅　12                   
 2.3.8　惠更斯—菲涅耳(Huygens-Fresnel)原理　13                   
 2.3.9　光的干涉　13                   
 2.3.10　防反射涂层　14                   
 2.3.11　全息摄影　15                   
 2.3.12　偏振　16                   
 2.3.13　偏振的例子　17                   
 2.3.14　反射和折射产生的偏振　17                   
 2.3.15　消光比　18                   
 2.3.16　偏振模式偏移：法拉弟(Faraday)效应　18                   
 2.3.17　相移　19                   
 2.3.18　各向同性和各向异性　19                   
 2.3.19　双折射　20                   
 2.3.20　材料色散　20                   
 2.3.21　非线性现象　21                   
 2.3.22　均匀性和不均匀性　21                   
 2.3.23　材料中杂质的影响　22                   
 2.3.24　微裂纹效应　22                   
 2.3.25　机械应力的影响　23                   
 2.3.26　温度变化的影响　23                   
 练习　24                   
                   
 参考文献　25                   
 标准　26                   
                   
 第二部分　光部件                   
                   
 第3章　光波导——光纤27                   
 3.1　引言　27                   
 3.2　光缆的构造　27                   
 3.2.1　怎样制造光纤　28                   
 3.2.2　怎样制造预制棒　29                   
 3.3　折射率分布　29                   
 3.4　光纤模式　29                   
 3.4.1　多模渐变折射率光纤　31                   
 3.4.2　单模光纤　31                   
 3.5　光的传播　31                   
 3.6　临界光锥或接受光锥　32                   
 3.7　出射光锥　32                   
 3.8　相速　33                   
 3.9　群速　33                   
 3.10　模式色散　33                   
 3.10.1　模间延迟差　34                   
 3.10.2　最大比特率　34                   
 3.10.3　模混合　35                   
 3.11　降低模式色散　35                   
 3.12　色度色散　35                   
 3.12.1　材料色散　36                   
 3.12.2　波长色散　36                   
 3.12.3　色度色散：渡越时间变化　36                   
 3.12.4　色度色散：脉冲展宽　37                   
 3.13　色散位移和色散平坦光纤　37                   
 3.14　色度色散的限度：ITU-T　38                   
 3.15　单模色度色散的计算　39                   
 3.16　色度色散补偿　39                   
 3.17　偏振模色散　40                   
 3.18　光纤的衰减或损耗　40                   
 3.18.1　分贝　41                   
 3.19　光纤频谱利用　42                   
 3.20　光纤双折射和偏振　43                   
 3.21　非线性现象　43                   
 3.21.1　受激喇曼散射　44                   
 3.21.2　受激布里渊散射　45                   
 3.21.3　四波混频　45                   
 3.21.4　时间FWM, 近端和远端　46                   
 3.22　光谱展宽　47                   
 3.23　自相位调制　47                   
 3.24　自调制或调制不稳性　48                   
 3.25　FWM对DWDM传输系统的影响　48                   
 3.26　减小FWM的对策　48                   
 3.27　光孤子　49                   
 3.27.1　光孤子的定性说明　49                   
 3.28　光纤连接　50                   
 3.29　结论　50                   
 练习　51                   
                   
 第4章　光谱滤波器和光栅52                   
 4.1　引言　52                   
 4.2　法布里—珀罗干涉器　52                   
 4.2.1　法布里—珀罗谐振器　52                   
 4.2.2　精细度　54                   
 4.2.3　谱宽. 线宽和线间隔　55                   
 4.2.4　法布里—珀罗滤波器　55                   
 4.3　布喇格光栅　56                   
 4.3.1　布喇格反射器　56                   
 4.3.2　布喇格条件　57                   
 4.4　光纤布喇格光栅　57                   
 4.5　可调布喇格光栅　58                   
 4.6　电介质薄膜　59                   
 4.7　偏振光分路器　59                   
 4.8　可调谐光滤波器　59                   
 4.9　声—光可调谐滤波器　60                   
 4.10　马赫—策恩德滤波器　61                   
 4.10.1　马赫—策恩德滤波器的可调度　62                   
 4.11　吸收滤波器　63                   
 4.12　双折射滤波器　64                   
 4.13　混合滤波器　64                   
 4.14　可调滤波器的比较　64                   
 4.15　衍射光栅　65                   
 练习　66                   
                   
 第5章　光分用器67                   
 5.1　引言　67                   
 5.2　棱镜　67                   
 5.3　衍射光栅　67                   
 5.4　阵列波导光栅　68                   
 5.5　马赫—策恩德干涉器　69                   
 5.6　光谱滤波器　69                   
 5.7　声—光滤波器和偏振光束分离器的组合　69                   
 5.8　光复用器　70                   
 练习　70                   
                   
 第6章　光源72                   
 6.1　引言　72                   
 6.2　发光二极管　72                   
 6.2.1　开关速度和输出功率　73                   
 6.2.2　输出光谱　73                   
 6.2.3　输入—输出响应　73                   
 6.2.4　调制响应　73                   
 6.2.5　结论　74                   
 6.3　激光器　74                   
 6.3.1　红宝石激光器　75                   
 6.3.2　半导体激光器　75                   
 6.4　单片法布里—珀罗激光器　76                   
 6.5　单片布喇格激光器　77                   
 6.6　分布反馈激光器　77                   
 6.7　半导体量子阱激光器　78                   
 6.8　垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)　78                   
 6.9　单片可调激光器　79                   
 6.9.1　单频激光器　79                   
 6.9.2　多频激光器　79                   
 6.10　梳状光发生器　80                   
 6.11　啁啾—脉冲激光源　80                   
 6.12　多频空腔激光器　80                   
 6.12.1　WGR的优点　81                   
 6.12.2　WGR的缺点　81                   
 6.13　单片DFB阵列　81                   
 6.13.1　DFB的优点　82                   
 6.13.2　DFB的缺点　82                   
 6.14　调制器　82                   
 6.15　激光器模块　83                   
 练习　83                   
                   
 第7章　光检测器85                   
 7.1　引言　85                   
 7.2　光电检测器的特性　85                   
 7.3　PIN光电二极管　85                   
 7.4　APD光电二极管　86                   
 练习　86                   
                   
 第8章　光放大器87                   
 8.1　引言　87                   
 8.2　再生器　87                   
 8.3　光放大器　88                   
 8.4　半导体光放大器　89                   
 8.5　掺铒光纤放大器　89                   
 8.5.1　EDFA的优点　90                   
 8.5.2　EDFA的缺点　91                   
 8.6　掺镨光纤放大器　92                   
 8.7　受激喇曼和受激布里渊散射放大器　92                   
 8.8　光纤放大器的分类　92                   
 8.8.1　功率放大器　92                   
 8.8.2　前置放大器　92                   
 8.8.3　线路放大器　92                   
 8.8.4　放大器的标准　93                   
 8.9　波长变换器　93                   
 8.9.1　交叉增益调制　93                   
 8.9.2　四波混频　94                   
 8.9.3　光频偏移器　94                   
 练习　95                   
                   
 第9章　其他光元件96                   
 9.1　引言　96                   
 9.2　光锁相环　96                   
 9.3　光方向耦合器　96                   
 9.4　环形谐振器　98                   
 9.5　光均衡器　100                   
 9.6　光隔离器　101                   
 9.7　偏振器. 旋转器和环行器　101                   
 练习　102                   
                   
 第10章　光交叉连接103                   
 10.1　引言　103                   
 10.2　光交叉连接的模型　103                   
 10.3　自由空间光交换　104                   
 10.4　固态交叉连接　104                   
 10.5　微电机械交换：反射器型　106                   
 10.6　电机械交换：反射镜阵列　107                   
 10.7　开关速度　108                   
 练习　109                   
                   
 第11章　光分/插复用器110                   
 11.1　引言　110                   
 11.2　OADM的功能　110                   
 11.3　光分/插复用器　110                   
 练习　111                   
                   
 参考文献　112                   
 标准　121                   
 其他原始资料　121                   
                   
 第三部分　光信息的编码                   
                   
 第12章　数字传输和编码技术124                   
 12.1　引言　124                   
 12.2　归零和不归零　124                   
 12.3　单极性和双极性信号　125                   
 12.4　4B/5B, 8B/10B编码　125                   
 12.5　ASK方式　125                   
 12.6　PSK方式　126                   
 12.7　FSK方式　127                   
 练习　127                   
                   
 第13章　光信息的解码129                   
 13.1　引言　129                   
 13.2　ASK解调器　129                   
 13.3　PSK和FSK解调　129                   
 练习　130                   
                   
 参考文献　131                   
 标准　131                   
                   
 第四部分　密集波分复用                   
 第14章　DWDM系统　133                   
 14.1　引言　133                   
 14.2　DWDM网络拓扑　135                   
 14.3　DWDM的应用　136                   
                   
 第15章　DWDM系统工程　140                   
 15.1　引言　140                   
 15.2　ITU-T的标称中心波长　140                   
 15.3　通路容量. 宽度和间隔　141                   
 15.4　通路比特率和调制方式　141                   
 15.5　波长管理　141                   
 15.6　多路频率稳定　142                   
 15.7　通路性能　142                   
 15.8　通路色散　142                   
 15.9　馈入功率　143                   
 15.10　光放大　143                   
 15.11　作为传输媒介的光纤类型　143                   
 15.12　光功率预算　143                   
 15.13　所支持的服务类型　144                   
 15.14　集合带宽管理　144                   
 15.15　传送所支持服务使用的协议　144                   
 15.16　网络管理的协议　145                   
 15.17　网络可靠性　145                   
 15.18　网络保护和监测策略　145                   
 15.19　网络的可扩展性和灵活性　145                   
 15.20　波长管理　145                   
 15.21　互通性　145                   
 15.22　单模功率损耗计算：一个例子　146                   
 15.23　网络中通路计算：三个例子　147                   
                   
 第16章　DWDM拓扑　148                   
 16.1　引言　148                   
 16.2　点到点拓扑　148                   
 16.3　环形结构的网状和星形网络　149                   
 16.4　DWDM集线器　151                   
 16.4.1　发送方向　151                   
 16.4.2　接收方向　152                   
 16.5　故障　152                   
                   
 参考文献　153                   
 标准　155                   
                   
 第五部分　DWDM当前的论点和研究情况                   
                   
 第17章　发展动态　160                   
 17.1　引言　160                   
 17.2　当前研究的重点　160                   
 17.2.1　激光器和接收器　160                   
 17.2.2　光交叉连接　160                   
 17.2.3　光分/插复用器　160                   
 17.2.4　光存储器和可变延迟线　161                   
 17.2.5　非介入的光监测　161                   
 17.2.6　DWDM系统动态地重新配置　161                   
 17.2.7　光的背板　161                   
 17.2.8　标准　161                   
 17.2.9　网络方面的问题　161                   
 17.2.10　在更长的间距上传输超高速信号　162                   
 17.2.11　不透明系统　162                   
 17.3　超高速模式识别　163                   
 17.3.1　例子：SONET/SDH　163                   
 17.3.2　例子：ATM　164                   
 17.3.3　例子：互联网协议　164                   
 17.4　当前的研究：波长总线　165                   
                   
 参考文献　166                   
 标准　168                   
                   
 缩写词　170                   
 练习题答案　181                   
 作者简介　186